电动升降器的有限元分析

崔兴龙， 徐革， 毛勇， 李连海， 鞠传胜

（1.辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，辽宁阜新123000；2.全球物流（苏州）有限公司，江苏苏州215324；3.沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司，沈阳110869）

电动升降器的有限元分析

崔兴龙1， 徐革1， 毛勇2， 李连海3， 鞠传胜3

（1.辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，辽宁阜新123000；2.全球物流（苏州）有限公司，江苏苏州215324；3.沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司，沈阳110869）

采用有限元分析方法，对汽车的电动升降器进行了受力和形变分析。分别对玻璃升降器从下止档开始上升状态和上升到上止档堵转状态进行了研究，对其原始数据进行了数学分析。应用Nastran软件建立了有限元模型，对其整体装配进行了有限元分析，对其主、从动臂进行了形变和应力分析。结果表明，主动臂在靠近长滑槽侧的折弯处形变量最大，在涡卷弹簧固定销处附近形变量最小；涡卷弹簧固定铆钉处附近有最大应力，在与从动臂连接处附近有最小应力。靠近长滑槽侧的从动臂在其折弯处形变量最大，靠近短滑槽侧的从动臂在与滑块连接处附近形变量最小；靠近长滑槽侧的从动臂在其折弯处有最大应力，靠近短滑槽侧的从动臂在与滑块连接处附近有最小应力。

有限元；升降器；形变量；应力

0 引言

1980年代末电动升降器首次登陆中国市场，随后的十几年里，经过不断地研究，国内公司自主开发了电动升降器。我国于2000年7月发布了自己的首个行业标准，但与先进国家的规范相比要求较低。目前国内的电动升降器供应商的最大问题在于其技术能力不强，生产规模太小，故无法形成自己的系列产品，参与国际竞争［1］。

汽车玻璃升降器是汽车配件市场中常见的标准配件，是汽车的重要组成部分。汽车玻璃升降器按传动结构分为臂式、柔式、丝杠式升降器；按操纵方式分为手动、电动、液动升降器。臂式升降器又可分为单臂式和双臂式，双臂式又包括交叉臂式和平行臂式升降器［2-4］。本文主要研究的是电动交叉臂式升降器。其特点是整体刚度好，对玻璃支撑区域宽，可保障玻璃平行升降，提升力较大，故运行比较平稳，被普遍采用［5-6］。臂式玻璃升降器的传动机构为齿轮齿扇啮合传动，除齿轮外其主要结构均为板式结构，加工方便成本低。但由于其采用悬臂式支撑结构，故工作压力大。其涉及的零部件较多，均为串联，受车门安装定位要求限制较多，加之工作环境恶劣及用户使用不当，故而成为整部汽车中出现故障最多的部件之一［7～11］。

目前，已经有很多学者应用有限元对连杆机构进行研究，高崇金［12］利用有限元分析了高空作业车臂架，并进行了平衡系统设计；王镇乾［13］利用有限元分析了梭车转向四连杆机构，并进行了优化设计；梁永江［14］进行了四连杆飞剪机的优化设计研究；沈晓丽［15］等进行了液压机械臂连杆有限元分析。有限元分析方法局限性小，计算精度高，较传统的计算方法有很大优势，已广泛应用于机械领域中。

本文采用有限元分析方法，对电动升降器从下止档开始上升状态和上升到上止档堵转状态进行研究，并对主、从动臂的形变量和应力进行详细分析。

1 力学分析

由于升降器在整个运动过程中受外力均匀平稳，故对升降器从下止档位置开始上升状态和上升到上止档堵转状态进行受力分析，获得其受力与运动的关系。升降器各部件形状较复杂，现将其简化为连杆机构，添加固定载荷及零位移面约束条件。由于升降器的主、从动臂在工作过程中受力复杂且零件结构不均匀，故其性能要求相对高于其他零件，因此本文仅对升降器的主、从动臂进行了受力和形变分析。对主、从动臂进行受力分析，建立力及力矩平衡方程。由图1可知，与主动臂和从动臂受力分析相关的零件包括：电机齿轮、齿扇、固定铆钉、涡卷弹簧、固定销、长滑槽、短滑槽、固定板（短滑槽连接板和滑块忽略不计）。涡卷弹簧对主动臂的作用力相对较小，可设为零。

图1 升降器

图2 从下止档位置开始上升状态受力分析

1.1 从下止档位置开始

上升状态受力分析

启动电机（LK30电机），车窗玻璃从下止档位置开始上升，升降器受力分析如图2所示。在图2（a）中齿扇受圆周力Fi和径向力Fr的作用，径向力 Fr是由电机产生的，圆周力Fi是由电机齿轮带动齿扇转动时的接触产生的，受力点在齿轮与齿扇接触点处，长滑槽受均布力Fz的作用，该力主要是由玻璃的重力产生的。由于车床的限制要求长滑槽仅有Z轴的平动，需要对长滑槽的其他5个自由度进行约束，而固定销和短滑槽等属于固定约束。

图2（b）对主动臂进行受力分析，以E为支点，得力平衡方程：

图2（c）把两个从动臂看作一个整体，以D为支点，对其进行受力分析得力平衡方程：

1.2 上升到上止档堵转状态受力分析

车窗玻璃上升到上止档位置时，受车门阻力堵转，升降器的受力分析如图3所示。在图3（a）中齿扇受圆周力Fi和径向力Fr的作用，径向力Fr是由电机产生的，圆周力Fi是由电机齿轮带动齿扇转动时的接触产生的，受力点在齿轮与齿扇接触处，长滑槽受均布力Fz的作用，该力主要是由玻璃的重力产生的。此时圆周力Fi和径向力Fr大小基本没变，而均布力Fz变大了，由于车床的限制要求长滑槽仅有Z轴的平动，需要对长滑槽的其他5个自由度进行约束，而固定销和短滑槽等属于固定约束。具体分析方法同上所述，在此不再赘述。

图3 上升到上止档堵转状态受力分析

2 建立有限元分析模型

利用三维设计软件UGNX按原尺寸建立几何模型，并进行整体装配建模。其中主动臂和从动臂模型如图4、图5所示。

图4 主动臂

图5 从动臂

1）材料的选择。根据实际情况，升降器材料为优质碳素结构钢，牌号为08钢。根据国标GB/T 699-1999在相关机械手册获得材料机械性能如表1所示。

2）边界条件的确定。（1）约束条件：约束固定板的全部自由度，将其固定；约束主动臂的5个自由度，使其仅能围绕固定销转动；其他零件的自由度由升降器的结构和运动来约束。（2）载荷条件：在齿扇处和长滑槽处添加给定的载荷Fi=64.9N，Fr=30.0N，从下止档位置开始上升状态长滑槽Z轴受力：Fz=100N；玻璃上升到上止档堵转状态长滑槽Z轴受力：Fz=140N。

表1 08钢的机械性能

3）网格的划分。单元类型为CTETRA（10），即十节点（包括顶点和各棱中点）四面体。四节点（仅包括顶点）四面体要素的解析结果受要素尺寸影响较大，而十节点四面体要素的解析结果受要素尺寸的影响相对较小，故选用十节点四面体。网格单元大小为2 mm，网格质量的中节点方法采用混合法，最大雅克比值为10。

3 结果分析

3.1 从下止档位置开始上升状态

利用有限元分析软件Nastran对电动升降器玻璃从下止档位置开始上升状态装配结构进行有限元分析，并从中提取出主、从动臂的分析结果如图6、图7所示。

图6 主动臂有限元分析

图7 从动臂有限元分析

图8 主动臂有限元分析

图6（a）为主动臂形变分析结果。从图中可以看出，主动臂在靠近长滑槽侧的折弯处（即标记“Maximum”）具有最大形变量为0.038 53 mm，在涡卷弹簧固定销处附近（即标记“Minimum”）具有最小形变量为0.000 055 40 mm。图6（b）为主动臂应力分析结果。从图中可以看出，主动臂在涡卷弹簧固定铆钉处附近（即标记“Maximum”）具有最大应力为14.2 MPa，在与从动臂连接处附近（即标记“Minimum”）具有最小应力为0.020 14 MPa。

图7（a）为从动臂形变分析结果。从图中可以看出，靠近长滑槽侧的从动臂在其折弯处（即标记“Maximum”）有最大形变量为0.035 68 mm，靠近短滑槽侧的从动臂在与滑块连接处附近（即标记“Minimum”）有最小形变量为0.003 858 mm。图7（b）为从动臂应力分析结果。从图中可以看出，靠近长滑槽侧的从动臂在其折弯处（即标记“Maximum”）有最大应力为6.577 MPa，靠近短滑槽侧的从动臂在与滑块连接处附近（即标记“Minimum”）有最小应力为0.008 166 MPa。

3.2 上升到上止档堵转状态

对电动升降器装配结构进行有限元分析，并从中提取出主、从动臂的分析结果如图8所示。

图8（a）为主动臂形变分析结果。从图中可以看出，主动臂在靠近长滑槽侧的折弯处（即标记“Maximum”）处有最大形变量为0.055 21 mm，在涡卷弹簧固定销处附近（即标记“Minimum”）有最小形变量为0.00007332mm。图8（b）为主动臂应力分析结果。从图中可以看出，主动臂在涡卷弹簧固定销附近的折弯处（即标记“Maximum”）有最大应力为 13.51 MPa，在与从动臂连接处附近（即标记“Minimum”）有最小应力为0.024 82 MPa。

图9（a）为从动臂形变分析结果。从图中可以看出，靠近长滑槽侧的从动臂在其折弯处（即标记“Maximum”）形变量最大为0.05125mm，靠近短滑槽侧的从动臂在与滑块连接处附近（即标记“Minimum”）形变量最小为0.007126mm。图9（b）为从动臂应力分析结果。从图中可以看出，靠近长滑槽侧的从动臂在其折弯处（即标记“Maximum”）有最大应力为11.61 MPa，两个从动臂在连接处附近（即标记“Minimum”）有最小应力为0.011 42 MPa。

上述结果表明，该升降器的主、从动臂在车窗玻璃从下止档位置开始上升及上升到上止档堵转两种状态，其应力和形变量从强度角度分析完全符合设计要求。

4 结语

图9 从动臂有限元分析

本文的意义在于用有限元分析法分析电动升降器的应力形变状态，取代了传统的理论分析。通过有限元分析软件进行静态分析，计算出主、从动臂的最大应力和形变量，从下止档位置开始上升状态主、从动臂形变量较小，但是上升到上止档堵转状态它们的形变量较大，接近于许用的变形量，故其有刚度不足的缺陷，有必要对电动升降器连杆进行结构改进。同时，虽然在载荷的作用下产生的等效应力远小于材料的许用应力，但是为连杆机构的疲劳分析提供相应数据，对该类型的升降器疲劳寿命的计算有一定借鉴作用。

［1］ 曹云翔.升降器及其发展概况［J］.汽车电器，2011（4）：3-5.

［2］ 蒋斌.玻璃升降器的结构与发展［J］.汽车技术，1996（10）：1-2.

［3］ 陈敏，武和霞，杜志彬.汽车玻璃升降机构的设计研究［J］.汽车与配件，2011（1）：38-39.

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［5］ 莫建伟，韦乐侠.汽车交叉臂式玻璃升降器设计要点讨论［J］.汽车技术，2009（4）：1-2.

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［15］ 沈晓丽，李健，宋述停，等.液压机械臂连杆有限元分析［J］.制造自动化，2011（16）：58-62.

（编辑黄 荻）

Finite Element Analysis of Electric Riesr

CUI Xinglong1， XU Ge1， MAO Yong2， LI Lianhai3， JU Chuansheng3
（1.Liaoning Datang International Fuxin Coal Gas Co.,Ltd.,Fuxin 123000,China;2.SCHENKER Logistics Co.,Ltd., Suzhou 215324,China;3.Sbw Nuclear Power Company,Shenyang 110869,China）

By using the finite element analysis method,pressure and deformation of the automobile electric glass riser were analysed.Respectively the riesr on the state beginning to rise from the next stop and the state rising to stop locked-rotor was studied,and the raw data was analysed.By Nastran the finite element model was established,and by the finite element analysis method the whole assembly was studied,deformation and pressure of the active and random arm were analysed.The results show that the deformation of the active arm has a maximum in the bending near the long chute side,and a minimum in near the fixed pin of the scroll spring.The pressure of the active arm has a maximum in near the retaining rivet of scroll spring,and a minimum in the random arm joint.The deformation of the random arm near the long chute has a maximum in the bending,and the deformation of the random arm near the short chute has a minimum in the slider joint.The pressure of the random arm near the long chute has a maximum in the bending,and the pressure of the random arm near the short chute has a minimum in the slider joint.

finite element;riesr;deformation;pressure

U 463.85

A

1002－2333（2014）05－0181－04

崔兴龙（1970—），男，工程师，从事机械设计制造工作。

2014-03-07